Stvari koje nas okružuju i čine deo naše svakodnevnice često uzimamo zdravo za gotovo i ne razmišljamo kako su nastale ili koliko su novina sa sobom donele. Novi pronalasci se pojavljuju gotovo svakog dana ali od nastanka interneta ili možda mobilnog telefona revolucionarnih otkrića nije bilo. Ipak, po nekim najavama, čovek bi u bliskoj budućnosti mogao da ostvari svoj viševekovni san i poput Harija Potera, učini sebe nevidljivim.
Proteklih nekoliko godina, brojni svetski naučni časopisi veliku pažnju poklanjali su rezultatima eksperimenata koji su podrazumevali rad sa metamaterijalima. Prefiks „meta“, po pravilu, dodeljuje se materijalima koji svoje specifične osobine duguju pre svega svojoj strukturi a ne sastavu koji se obično posmatra pri tumačenju ponašanja različitih jedinjenja. Metamaterijali poseduju nesvakidašnje karakteristike, kao na primer negativan indeks prelamanja svetlosti ili neograničen stepen inercije, odlike koje ne sadrže materijali koji se mogu naći u prirodi. Njihova periodična trodimenzionalna ćelijska struktura je dakle proizvod čoveka, kreirana u cilju postizanja specifičnog rezultata. Veliku primenu metamaterijali pronašli su u elektromagnetici i pomogli razvoj optičkih i mikrotalasnih uređaja.
Struktura metamaterijala koja ima mogućnost da utiče na elektromagnetne talase mora biti sačinjena od fragmenata čija veličina ne prelazi dužinu talasa sa kojima dolazi u kontakt. Kada je svetlost u pitanju, talasna dužina manja je od mikrometra (oko 560 nanometara), pa bi veličina fragmenta metamaterijala koji bi uticao na ponašanje ovih talasa morala takođe da se meri nanometrima. Budući da su metamaterijali proizvedeni od strane čoveka, današnja tehnologija još uvek nije spremna za nanometarske izazove. U slučaju mikrotalasa, fragmenti peroidične strukture metamaterijala su reda veličine decimetra pa se oni već uveliko nalaze u fazi istraživanja i razvoja.
Specifična struktura metamaterijala ima mnogo sličnosti sa kristalima fotona i selektivno propustljivim površinama, dok razlike potiču od odnosa talasna dužina-veličina fragmenta strukture koji sobom nosi i specifičnosti njihove interakcije. Ukratko, metamaterijal ima osobinu da provede njemu specifičan talas tako da, nakon prolaska kroz njega, stvori utisak da talas nije naišao ni na kakvu prepreku, poput vode koja zaobilazi kamen koji joj se našao na putu. Prepreka bilo koje veličine, sačinjena od metamaterijala ili samo njime prekrivena, praktično „nestaje“ dok talas nesmetano nastavlja svoj put.
Upravo zakrivljenje svetlosti predstavlja najinteresantniju primenu metamaterijala. Obavijen omotačem nanometarski precizne meta strukture, bilo koji predmet postaje nevidljiv za posmatrača bez obzira iz kog pravca dolazi svetlost. Efekat sakrivanja zavisi od sastava metamaterijala, tačnije od indeksa refleksije ili njegove sposobnosti da utiče na promenu pravca svetosti koja na njega nailazi. Pri kretanju između tačaka u prostoru svetlost bira najkraću putanju ili pravu liniju. Kada su u pitanju metamaterijali, najkraća putanja može biti i ona koja svetlost usmerava oko predmeta obloženog ovim omotačem.
Krivljenje svetlosti je samo jedan od problema koji se mora rešiti prilikom pokušaja da se predmet učini nevidljivim. Naime, svetlost se nakon krivljenja oko predmeta mora uputiti na istu putanju na kojoj se nalazila pre nego što je na njega naišla. Na taj način zrak će nastaviti svojom prvobitnom putanjom i pre ili kasnije naići na predmet koji će ga odbiti i uputiti nazad ka posmatraču. U slučaju da je metamaterijal adekvatne strukture, odbijena svetlost koja se vraća zaobići će skriveni predmet na isti način kao i pri prvom prolasku pa neće ostaviti senku. Ukoliko ovaj uslov ne bi bio ispunjen, posmatrač bi video skriveni predmet koji bi bio osvetljen pozadinskom svetlošću, odnosno odbijenim zrakom koji putuje natrag.
Čitava priča, za sada, ostaje u domenu teorije. Proizvedeni metamaterijali svoje specifično ponašanje manifestuju samo u interakciji sa talasima određenih frekvencija, odnosno talasnih dužina. Na ovaj način se samo mikrotalasi uspešno preusmeravaju pa razvijeni metamaterijali imaju mogućnost da kriju pokretne i nepokretne objekte od radara ili drugih uređaja koji ih emituju. Dok su postignuti rezultati doneli revolucionarne pomake u konstrukciji stelt letelica, na metamaterijale koji će uspešno kriviti svetlost čekaće se još koju godinu. Oni bi, na osnovu teorije, trebalo da imaju negativan indeks refleksije, odnosno sposobnost da krive svetlost na suprotan način od konvencionalnih materijala. Korišćenjem nanotehnologije pri izgradnji ovih materijala, indeks refleksije bi se razlikovao u delovima samog „omotača“ koji bi sakrivao posmatrani predmet. Svetlost bi sve više menjala svoj prvobitni pravac prilikom prilaska skrivenom objektu dok bi se stepen refleksije smanjivao kada bi se ona od njega udaljavala. Zakrivljena svetlost bi se na taj način usmerila na prvobitnu putanju i stvorila iluziju praznog
prostora.
Prototip metamaterijala koji bi krivio svetlost sastoji se od milimetarskih bakarnih žica i prstenova koji su integrisani u ploču od optičkih vlakana, sličnu ploči sa strujnim kolima i kompjuterskim čipovima. Žice i prstenovi, izloženi mikrotalasnom zračenju, pasivno stvaraju elektromagnetna polja. Valjano organizovane, ove komponente navode talase na željenu putanju odnosno kreiraju njihovo zakrivljenje.
Činjenica da vojne snage širom sveta budno prate i pomažu razvijanje metamaterijala ni malo ne iznenađuje. Ipak, da bi se uspešno sakrio neki objekat, sam „omotač“ mora pažljivo biti dizajniran u zavisnosti od oblika objekta koga pokriva. Najlakše bi bilo sakriti predmet jednostavnih i konstantnih linija čiji delovi prate njegov osnovni oblik. Sledeći ovu teoriju, vojne letelice budućnosti bi trebalo da imaju integrisana krila u svoje telo dok bi kopnena vozila „krila“ naoružanje unutar svog kompaktnog oblika. Bilo kakva odstupanja od osnovnih crta vozila usložila bi proces izgradnje „pokrivača“ koji bi ga uspešno učinio nevidljivim bilo da je posmatrač radar ili ljudsko oko. Interesantna je činjenica da letelica pokrivena metamaterijalom ne samo da ostaje potpuno nevidljiva za elektromagnetne talase određene frekvencije koje emituje radar već ih ni ona sama ne može registrovati. U tom slučaju, navigacija skrivene letelice bi potpuno zavisila od pilota jer bi štit branio bilo kakvo radarsko navođenje.
Po istom principu, objekat ili osoba obmotana metamaterijalnim štitom od svetlosti i sama ostaje u potpunom mraku jer do nje ne dopiru vetlosni zraci. Bilo kakav pokušaj osvetljenja puta automatski bi
razotkrio skriveni objekat. Uprkos činjenici da postoje razni problemi i ograničenja u svakodnevnoj primeni metamaterijala, naučnici, kroz eksperimente, uspešno sprovode teoriju u delo. Po njihovim prognozama, za pet do deset godina krivljenje svetlosti postaće naša realnost. Iako se primena ove tehnologije za sada vezuje za oblasti komunikacija, neometanih bežičnih transmisija talasa ili fokusiranje sunčevih zraka ka solarnim ćelijama, širom su joj otvorena vrata ka brojnim oblastima ljudske delatnosti.
Miloš Kosić
bif 37, februar 2008.